11小型CHP技术与产品发展2

朱彤博士、教授、博士生导师机械与能源工程学院小型CHP技术与产品发展12汇报内容三微型CHP和小型冷凝燃气锅炉关键技术四微型燃气轮机技术介绍二分布式能源系统发展背景一分布式能源系统发展历程五总结3汇报内容三微型CHP和小型冷凝燃气锅炉关键技术四微型燃气轮机技术介绍二分布式能源系统发展背景一分布式能源系统发展历程五总结背景：我国能源生产总量4背景：我国能源消费总量56水源制冷机/热泵风力发电太阳能集热器光伏发电与常规能效相比节能40%，减排60%节约运行成本20%实现能源梯级利用，能效提高30%能源平衡利用安全供电、减少对集中供能依赖效率削峰填谷安全节能减排经济性分布式能源的优点背景：能源领域的挑战与分布式能源优点能源领域面临的挑战7汇报内容三微型CHP和小型冷凝燃气锅炉关键技术四微型燃气轮机技术介绍二分布式能源系统发展背景一分布式能源系统发展历程五总结81.第一代：传统的热电联产（CHP），即热电厂（Cogeneration）模式。单一燃料（煤或天然气）输入、热和电输出、单一中心能源站（热电厂模式）发电机规律在300MW以下（国内也有到600MW的），电力上网，蒸汽或高温水输出，输送半径10~20km——“靠近用户”（Neartheusers）2.第二代：城区或楼宇的冷热电多联产（CCHP、BCHP或DCHP），即冷热电三联供（Trigeneration）模式。清洁燃料（天然气）输入、多种形式能源（热、电、冷）输出、单一中心能源站，由于需要供冷，输送半径必须控制在1km以下。发电机规模在50MW以下，电力并网或上网，热水和冷水输出——“接近用户”（Neighboringtheusers）3.第三代：分布式多能源品种（可再生能源和清洁能源）发电，多种形式能源（热、电、冷、压缩空气）输出，电力驱动热泵，以能源总线集成热源和热汇。每一幢建筑既产能也用能或蓄能，形成多个产能节点，通过能源互联网共享资源（能源微网模式）——贴近用户（Veryclosetheusers）分布式能源系统发展历程9汇报内容三微型CHP和小型冷凝燃气锅炉关键技术四微型燃气轮机技术介绍二分布式能源系统发展背景一分布式能源系统发展历程五总结10微型分布式能源系统关键技术分布式能源系统的分类及其关键设备的性能分类输出电功率微型CHP5kWe（2kWe)小型CHP5kWe~500kWe中型CHP500kWe~1MWe大型CHP1MWeCHP技术功率范围电功率输出范围（%）总效率（峰值）（%）燃气轮机联合循环20MW~600MW30~5585燃气轮机2MW~500MW20~4580蒸汽轮机5kW~100MW15~4075内燃机1kW~10MW25~4095微型燃气轮机3kW~1MW25~3075燃料电池0.5kW~1MW30~4075斯特林发动机1kW~50kW10~258011微型分布式能源系统关键设备朗肯循环/有机朗肯循环（RankineCycle/ORC）内燃机（InternalCombustionEngines)斯特林发动机（StirlingEngines)燃料电池（FuelCells）微型燃气轮机（Microturbines）微型分布式能源系统关键技术12微型分布式能源系统不同技术的比较微型分布式能源系统关键技术微型分布式能源关键技术优点缺点内燃机功率输出范围宽，成本低污染排放控制问题，噪声大，电效率低，对于热需求较少的场合不适用斯特林发动机功率输出范围宽，污染物控制较内燃机容易发电效率低，对热需求较少的场合不适用燃气轮机余热能级高，噪音小发电效率低，成本高，负荷调节性差燃料电池发电效率高，排放低价格高，使用寿命短，投资回收期长14微型分布式能源系统关键技术BAXI1kWe斯特林机组1kWe电能6kW热本田1kWe内燃机机组1kWe电能2.5kW热15威能（Vaillant-Sunfire）微型分布式能源系统关键技术16小型冷凝式燃气锅炉关键技术冷凝式燃气锅炉天然气燃烧后的主要产物是水和二氧化碳，硫化物含量非常低，因此可以通过降低排烟温度的方式，充分利用烟气中水蒸气的汽化潜热，进而提高锅炉的热效率小型冷凝式燃气锅炉关键技术低氮燃烧技术高性能换热材料17小型冷凝式燃气锅炉关键技术低氮燃烧技术分级燃烧燃料分级空气分级贫燃预混燃烧烟气再循环烟气外循环烟气内循环无焰燃烧技术金属纤维表面燃烧蓄热燃烧冷却预混燃烧18小型冷凝式燃气锅炉关键技术低氮燃烧技术技术优点缺点排放值mg/Nm3减排效果分级燃烧等控制简易较难实现30mg/Nm3的排放目标5035-50%贫燃预混控制有效简单催化燃烧可实现零排放锅炉效率有影响1080%低氮燃烧器+效果好成本适中燃烧不稳定影响锅炉效率外设循环管路30-10050-85%烟气再循环对于小型冷凝式锅炉，主要采用贫燃预混技术，结构紧凑能实现30mg/Nm3的排放限值要求19小型冷凝式燃气锅炉关键技术低氮燃烧技术1.21.41.61.82.00306090120150180NOx（mg/Nm3）过量空气系数NOx（燃气流量34.8Nm3/h）NOx（燃气流量30.4Nm3/h）NOx（燃气流量24.6Nm3/h）NOx（燃气流量19.0Nm3/h）实验测试：不同燃气负荷和不同过量空气系数条件下的NOx排放过量空气系数在1.5以上实现NOx排放低于30mg/Nm3过量空气系数大于1.7时，实现NOx排放低于30mg/Nm320小型冷凝式燃气锅炉关键技术高性能换热材料铸铝合金材料热导率大抗酸腐蚀能力强铝材表面易形成致密氧化层，可有效防止酸性腐蚀和氧蚀密度小清洗方便采用全水冷设计，燃烧室被水道环绕，内侧和外部均方便清洗21小型冷凝式燃气锅炉产品介绍技术特点采用全预混金属纤维表面燃烧器铸硅铝合金燃烧室换热器一体式结构喜德瑞EuroCondensSGB冷凝式22小型冷凝式燃气锅炉产品介绍技术特点采用全预混金属纤维表面燃烧器铸硅铝合金燃烧室换热器一体式结构23小型冷凝式燃气锅炉产品介绍技术特点采用全预混多孔燃烧器厚壁不锈钢螺旋形管式换热器一体式结构威能ecoVIT冷凝式燃气采暖落地炉24小型冷凝式燃气锅炉产品介绍技术特点采用全预混表面燃烧Inox厚壁不锈钢径向受热面换热器一体式结构菲斯曼Vitodens111-W冷凝燃气采暖热水炉25汇报内容三微型CHP和小型冷凝燃气锅炉关键技术四微型燃气轮机技术介绍二分布式能源系统发展背景一分布式能源系统发展历程五总结26微型燃气轮机的功率在30kW～1000kW之间，效率一般低于30%。发电效率低；高温烟气余热回收；综合热效率较高；运动部件少，重量轻，振动小，没有必要设置特殊的防振设施；输出功率受环境温度影响；罩外噪声小。微燃机——性能特点课题来源上海泛智能源装备有限公司：100kW微燃机内燃烧过程数值模拟研究上海市科委：微型燃气轮机低排放燃烧关键技术研究（15DZ1207202）上海市科委：兆瓦级燃气轮机燃烧室设计和低排放关键技术研究（18DZ1202003）原型机烧毁的一级静叶原型机火焰筒原型机燃烧室（单位：mm）1-燃烧室出口；2-助燃空气进口；3-掺混孔；4-掺混区；5-二次空气进口；6-主燃区；7-头部；8-燃气进口燃烧室出口温度过高，在升速状态即超温，烧灼叶片关键设备——微燃机低排放燃烧室TTPP风机消音器放空柴油发电机组电加热器高温流量计天然气MFC01MFC02PPPtT试验段TsPs消声塔冷却器烟气分析仪PsTT燃烧实验台系统示意图试验段关键设备——微燃机低排放燃烧室DasII贫燃料预混式关键设备——微燃机低排放燃烧室温度云图单位：KNO摩尔百分数排放量低于9ppmv关键设备——微燃机低排放燃烧室亟待研制的关键部件——余热锅炉汽水系统：单压、双压、三压汽水系统：自然循环~强制循环烟气系统：补燃ornot目前与微型燃气轮机配套的余热锅炉亟待研发：容量匹配温度参数变负荷32HeatreleasePressureTimePressure燃烧稳定性随着对排放浓度的要求越来越高，燃烧不稳定现象日益突出，燃机和工业锅炉运行中出现火焰喘振、炉体振动、甚至熄火的风险也日益提高。关键问题研究34汇报内容三微型CHP和小型冷凝燃气锅炉关键技术四微型燃气轮机技术介绍二分布式能源系统发展背景一分布式能源系统发展历程五总结35总结1.传统的CHP已发展到第三代，融合了可再生能源和信息技术，形成了智慧能源微网；2.微型CHP的推广应用主要受热负荷、自发电上网政策、燃气价格市电价格比的影响；3.小型冷凝式燃气锅炉热效率高，其中关键技术包括全预混低氮燃烧技术和高性能换热材料工艺；4.智慧能源微网利用信息技术和关键部件设备将“源网荷”以及“多能互补”联系起来，能源综合利用效率更高，生态环境效益更佳；5.余热锅炉等传统能源生产设备面临新的挑战；6.对于小型CHP系统，微燃机、燃气轮机作为加工制造业皇冠上的明珠，亟待更多的专家、企业投入研制，提高我国具有自主知识产权的技术水平；课题组成员教授3名、副教授1名、讲师1名、科研助理1名、博士生8名、硕士生18名主要承担科研项目•国家自然科学基金——工业锅炉天然气超低氮扩散燃烧不稳定性机理研究（51976140）•国家重点研发计划重点专项“高耗能特种设备能效检测与评价关键技术研究”——典型工业蒸汽系统能效评价关键技术研究（2017YFF0209805）、燃气锅炉能效检测监测关键技术及设备研究（2017YFF0209801）•国家重点基础研究发展计划（973课题）——天然气与可再生能源的融合以及复杂能源网络系统的稳定性研究（2014CB249201）•国家科技支撑计划子课题——多种可再生能源耦合供能关键技术研究与集成示范（2014BAJ01B06）•上海市科委——微型燃气轮机低排放燃烧关键技术研究（15DZ1207202）•上海市科委——兆瓦级燃气轮机燃烧室设计和低排放关键技术研究（18DZ1202003）国家科技支撑计划2020/6/1737谢谢欢迎各位专家批评指正